零价铁-活性炭-微生物协同高效处理含有机氯废水的机制研究

How to improve the anaerobic dechlorination efficiency of chlorinated organic coumpounds (COC) has been one critical challenge for COC-containing wastewater treatment. To address this challenge, here we propose a novel treatment process by integrating zero valent iron and activated carbon into an anaerobic bioreactor system for enhanced redutive dechlorination. Based on theoretical analysis and the research results from both literature and our own primary studies, this process is expected to break through the limitations of present COC dechlorination processes. Nevertheless, experimental evidences in this respect is still scarce, and the enhancement mechanism of the process is unclear to us.Thus, a comprehensive and in-depth study of this process is necessary. In this project, we shall investigate the application feasibility, influencing factors and enhancement mechanism of this process through experimental and modeling investigations and by using varius advanced analytical techniques. Through the research of this project, we aim to: estabilish a low-cost and efficient novel process for COC-containing wastewater treatment, deepen and enrich our knowledge about the interelations between zero valent iron, activated carbon and microorganisms, and lay a primary theoretical foundation for the further development and expanded application of this technology in recalcitrant wastewater treatment.

如何提高有机氯化合物(COC)的脱氯降解效率是含COC废水处理当前面临的主要技术难题。本项目基于相关理论和已有的研究成果，并结合我们前期在难降解废水物化和生物处理方面的初步研究结果，提出了一种新的联合处理工艺- - 零价铁-活性炭-微生物协同促进COC降解。该技术有可能成为突破当前COC脱氯降解过程中限制性因素的一条新途径，但目前仍缺少足够的实验结论支持和机理上的深入分析。因此，我们拟通过实验研究结合模型分析，综合运用多种先进分析手段，对这一新工艺过程的可行性、影响因素及作用机理进行全面探索。通过本项目的研究，我们有望建立一套经济、有效的含COC废水处理新工艺，并深化和扩充我们对于零价铁-活性炭-微生物相互关系的认识，为这一技术的深入发展和在难降解废水处理领域的拓展应用奠定初步的理论基础。

零价铁因其具有高反应活性和对环境无毒的特点，被广泛用于污染控制和环境修复，但长期运行过程中会出现钝化，并且生成大量“铁泥”需要后续处理，这成为了限制大规模实际应用的关键瓶颈。将零价铁化学还原与生物降解过程相结合能在一定程度上提高处理效果，但仍然存在零价铁容易流失、板结，受环境条件干扰严重等问题，且其相互作用机理尚不清楚。.在本研究中，我们以氯代有机物作为模式污染物，重点研究了零价铁及其反应产物（包括铁氧化物和各种次生铁矿物）与厌氧微生物之间的相互关系、环境影响因素、及对生物还原脱氯过程的影响。首先研究了纳米零价铁化学还原四氯化碳（CT）的动力学、钝化特征及机理，发现纳米零价铁脱氯体系具有一定的pH自缓冲的能力，可以延缓其钝化过程。磷酸根能进一步延缓零价铁的钝化但会降低其还原活性。其次，从分子生物学水平研究了污染物的生物还原过程，并探索了将生物与碳纳米管（CNT）的耦合应用。发现CNT能调控微生物电子传递途径，降低污染物传质和细胞毒性的限制，从而显著强化其厌氧生物降解。最后，研究了不同形态的铁（包括零价铁、溶解性铁离子、固态的铁氧化物）与厌氧微生物（包括Shewanella、Klebsiella纯菌和混合菌）的相互作用，并探索了其在氯代有机物以及其他难降解污染物降解过程中发挥的作用及机理。发现微生物能通过生物还原作用生成具有还原活性的FeS等次级铁矿物以及Fe(II)盐，起到电子传递媒介的作用，并且影响微生物的生长和群落结构，从而促进氯代有机物以及其他污染物的还原降解，但pH、硝酸盐等环境因素会显著影响这一过程。..本研究有助于我们更好的认识有机氯废水处理过程中微生物和零价铁/铁矿物的反应特点、电子传递途径、两者的相互作用以及各种影响因素，从而为零价铁/铁氧化物-厌氧生物耦合处理系统的优化和调控奠定基础，为建立更高效的有机氯废水处理系统提供指导，并且对其他难降解废水的处理以及环境修复都具有重要的借鉴意义。